Reoxidation is a phenomenon that occurs in steel products during the initial stage of the formation of liquid steel, mainly during casting. This leads to the formation of inclusions which is a common problem that affects the properties, such as strength and ductility of the steel, and thus decreases its quality. To investigate these inclusions an electrolytic extraction and a scanning electron microscope(SEM) were performed on four carbon steel samples taken before and throughout continuous casting. To get a better understanding of the inclusions, the chemical composition, morphology, and sizes were analyzed, these were measured with the software ImageJ. As a result, five types of inclusions were identified, these include reoxidation, deoxidation, desulphurization, and complex compositions. Each type was represented by specific compounds and elements, such as FeO for reoxidation inclusions and Al2O3 for deoxidation inclusions. Additionally, inclusion morphology and size were significant classification factors, with film inclusions presenting larger sizes compared to other types, while spherical inclusions were observed perfectly, spherical ones were often associated with pure FeO content. Despite successful electrolytic extraction and SEM analysis, the number of inclusions obtained was lower than expected due to the presence of an additional layer of carbides. Future research may benefit from additional heating treatments to facilitate deeper analysis of inclusions. / Reoxidation är ett fenomen som uppstår i stålprodukter under gjutning. Detta leder till bildning av inneslutningar vilket är ett vanligt problem som påverkar egenskaperna, såsom hållfasthet och formbarhet hos stålet, och därmed minskar dess kvalitet. För att undersöka dessa inneslutningar utfördes en elektrolytisk extraktion och en SEM på fyra kolstålprover tagna före och under stränggjutning. För att få en bättre förståelse av inneslutningarna analyserades den kemiska sammansättningen, morfologin och storlekarna, dessa mättes med programvaran ImageJ. Som ett resultat identifierades fem typer av inneslutningar, dessa inkluderar reoxidation, deoxidation, avsvavling och komplexa kompositioner. Varje typ representerades av specifika föreningar och element, såsom FeO för reoxidationsinneslutningar och Al2O3 för deoxidationsinneslutningar. Dessutom var inklusionsmorfologi och storlek signifikanta klassificeringsfaktorer, med filminneslutningar som presenterade större storlekar jämfört medandra typer, medan sfäriska inneslutningar, observerades perfekt sfäriska sådana var ofta associerade med rent FeO-innehåll. Trots framgångsrik elektrolytisk extraktion och SEM-analys var antalet erhållna inneslutningar lägre än förväntat på grund av närvaron av ytterligare ett lager karbider. Framtida forskning kan dra nytta av ytterligare värmebehandlingar för att underlätta djupare analys av inneslutningar.

Continuous casting is by far the most widely used casting method for steel production all over the world. The Swedish steel industry has specialized in niche products with high quality. To obtain high-quality steel, flow control is crucial when operating the caster. Computational fluid dynamics is used in the research and development of steel production to gain knowledge and optimize flow control, with meshing being a crucial step. One challenge with meshing is finding the balance between computational cost (time and storage) and accuracy. This study investigated whether polyhedral mesh elements would be suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Firstly, Ansys Fluent's polyhedral converter was used on an existing mesh containing tetrahedral and hexahedral elements. The mesh quality in terms of skewness, orthogonality, and aspect ratio was studied. The results showed that the polyhedral converter lowered the cell count and slightly improved the quality compared to the original mesh. However, more research is needed with other meshes and actual simulations to determine if it is suffcient for modeling turbulent flow in continuous casting. Following that, two new meshes were generated: one polyhedral and one poly-hexcore mesh, both using Ansys Fluent Meshing, and their mesh quality was analyzed as in the first case. These meshes were then simulated with the Large Eddy Simulation model for steel, slag, and air for 60 seconds. They were compared and evaluated using production data in the form of steel layer fluctuations and nail board measurements. The results from the polyhedral and poly-hexcore meshes showed that both meshes had good, equal quality and cell count. Even so, due to the construction of the poly-hexcore, switching between polyhedral and hexahedral elements, and the occurrence of hanging nodes, the simulation showed signs of discretization errors. This might have also contributed to the lower flow velocities at the steel layer compared to the nail boards for the poly-hexcore mesh. The polyhedral mesh showed more stable simulation results with closer velocity trends compared to the nailboard measurements. The steel layer fluctuations for both meshes were somewhat similar to the production data, but further FFT analysis concluded that fluid flow simulations alone are not enough for an FFT comparison to production data since many factors are missing from the simulations, such as mould oscillations and regulations from the stopper. The computational cost varied between time and storage, with the polyhedral mesh requiring 13 % less simulation time but 32.7 % more storage. In summary, it can be concluded that polyhedral mesh elements can be successfully implemented for modeling turbulent flow in continuous castingwith a reasonable computational cost. / Stränggjutning är den främsta metoden använt för stålproduktion över hela världen. Den svenska stålindustrin har specialiserat sig på nischade produkter med hög kvalitet. För att uppnå högkvalitativt stål är flödeskontroll avgörande vid drift av gjutmaskinen. Numeriska strömningsberäkningar används i forskningen och utvecklingen av stålproduktion för att skaffa kunskap och optimera flödeskontrollen, där meshing är ett avgörande steg. En utmaning med meshing är att hitta balansen mellan beräkningskostnad (tid och lagring) och noggrannhet. Denna studie undersökte om polyhedrala mesh-element skulle vara tillräckliga för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Först användes Ansys Fluents polyhedrala konverterare på en befintlig mesh, innehållande tetrahedrala och hexahedrala element. Meshkvalitén i termer av skevhet, ortogonalitet och aspektförhållande studerades. Resultaten visade att den polyhedrala konverteraren sänkte cellantalet och förbättrade kvaliteten något jämfört med den ursprungliga meshen. Dock behövs mer forskning med andra mesher, och faktiska simuleringar, för att avgöra om den är tillräcklig för att modellera turbulent flöde i stränggjutning. Därefter genererades två nya mesher: ett polyhedralt och en poly-hexcore, båda med hjälp av Ansys Fluent Meshing, och precis som i det första fallet, studerades deras meshkvalitet. Dessa två meshes simulerades sedan med Large Eddy Simulation-modellen för stål, slagg och luft i 60 sekunder. De jämfördes och utvärderades med hjälp av produktionsdata i form av stålnivå, fluktuationer och 'nail board'-mätningar. Resultaten från det polyhedrala och poly-hexcore meshen visade att båda mesherna hade god och likvärdiga kvalitéer samt cellantal. Trots detta, på grund av uppbyggnaden av poly-hexcore meshen, alltså växlingen mellan polyhedrala och hexahedrala element och förekomsten av hängande noder, visade simuleringen tecken på diskretiseringsfel. Detta kan också ha bidragit till de lägre flödeshastigheterna vid stålnivån jämfört med 'nail board'-mätningarna för poly-hexcore meshen. Den polyhedrala meshen visade mer stabila simuleringsresultat med hastighetstrender närmare 'nail board'-mätningarna. Amplituden för stålnivåfluktuationerna för båda näten var något lika produktionsdatan, men en vidare FFT-analys visade att endast flödesimuleringar inte är tillräckliga för en FFT-jämförelse med produktionsdata eftersom många faktorer saknas i simuleringarna, såsom svängningar av gjutformen och reglering av inloppashastigheten. Beräkningskostnaden varierade mellan tid och lagring, där den polyhedrala meshen krävde 13 % mindre simuleringstid men 32,7 % mer lagring. Sammanfattningsvis kan det konstateras att polyhedrala mesh-element framgångsrikt kan implementeras för att modellera turbulent flöde i stränggjutning med en rimlig beräkningskostnad.

Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.

In this study, the goal is to optimize the process and to reduce the clogging tendency during the continuous casting process. The focus is on clogging when the refractory base material (RBM) in the SEN is in contact with the liquid steel. It is difficult or impossible to avoid non-metallic inclusions in the liquid steel, but by a selection of a good RBM in the SEN clogging can be reduced.   Different process steps were evaluated during the casting process in order to reduce the clogging tendency. First, the preheating of the SEN was studied. The results showed that the SEN can be decarburized during the preheating process. In addition, decarburization of SEN causes a larger risk for clogging. Two types of plasma coatings were implemented to protect the RBM, to prevent reactions with the RBM, and to reduce the clogging tendency. Calcium titanate (CaTiO3) mixed with yttria stabilized zirconia (YSZ) plasma coatings were tested in laboratory and pilot plant trials, for casting of aluminium-killed low-carbon steels. For casting of cerium alloyed stainless steels, YSZ plasma coatings were tested in laboratory, pilot plant and industrial trials. The results showed that the clogging tendency was reduced when implementing both coating materials.   It is also of importance to produce clean steel in order to reduce clogging. Therefore, the steel cleanliness in the tundish was studied experimentally. The result showed that inclusions originated from the slag, deoxidation products and tundish refractory and that they were present in the tundish as well as in the final steel product. / VINNOVA

Heat transfer and solidification models were developed for use in a numerical model of a continuous caster to provide a means of predicting how the developing shell would react under variable operating conditions. Measurement data of the operating conditions leading up to a breakout occurrence were provided by an industrial collaborator and were used to define the model boundary conditions. Steady-state and transient simulations were conducted, using boundary conditions defined from time-averaged measurement data. The predicted shell profiles demonstrated good agreement with thickness measurements of a breakout shell segment – recovered from the quarter-width location. Further examination of the results with measurement data suggests pseudo-steady assumption may be inadequate for modeling shell and flow field transition period following sudden changes in casting speed. An adaptive mesh refinement procedure was established to increase refinement in areas of predicted shell growth and to remove excess refinement from regions containing only liquid. A control algorithm was developed and employed to automate the refinement procedure in a proof-of-concept simulation. The use of adaptive mesh refinement was found to decrease the total simulation time by approximately 11% from the control simulation – using a static mesh.

This dissertation investigates the effect of electromagnetic braking and gas injection on the fluid flow in a continuous casting slab mold numerically and makes verifications on basis of a small Liquid Metal Model for Continuous Casting of steel (mini-LIMMCAST). Numerical calculations were performed by means of the software package CFX with an implemented RANS-SST turbulence model. The non-isotropic nature of the MHD turbulence was taken into account by specific modifications of the turbulence model. The numerical results were validated by flow measurements at the mini-LIMMCAST facility. Numerical simulations disclose the damping effect on the flow closely depending on the wall conductance ratio. In addition, specific modifications of the turbulence model play a crucial role in reconstructing the peculiar phenomenon of an excitation of nonsteady, nonisotropic, large-scale flow perturbations caused by the application of the DC magnetic field.

Beim kontinuierlichen Stranggießen von Stahl werden elektromagnetische Felder zur Strömungsbeeinflussung eingesetzt. In dieser Arbeit wird die Wirkung eines statischen Magnetfeldes auf die Kokillenströmung in einem Modellexperiment untersucht. Das statische Magnetfeld strukturiert die Strömung um, kann lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen und verändert die Ausbildung und Anzahl der für Brammenkokillen typischen großskaligen Wirbel. Es zeigt sich weiterhin, dass die elektrische Leitfähigkeit der Kokillenwände einen entscheidenden Einfluss auf die Wirkung einer elektromagnetischen Bremse hat. Unter isolierenden Wänden werden räumliche Oszillationen des Flüssigmetallstrahles initiiert und es bildet sich zwischen den beiden Kokillenhälften eine asymmetrische Strömung aus. Leitfähige Wände verhindern die Oszillationen und die Kokillenströmung ist symmetrisch. Eine eindeutige bremsende Wirkung der elektromagnetischen Bremse auf den Durchfluss konnte jedoch in beiden Fällen nicht festgestellt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neuartige keramik- und stahlreiche Verbundwerkstoffe, auf Basis von MgO-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid und hochlegiertem austenitischem TRIP Stahl entwickelt. Die keramikreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 30 Vol.% metallischer Partikelverstärkung wurden über die Schlickergusstechnologie bzw. die Druckschlickergusstechnologie hergestellt und können als thermo-mechanisch beanspruchte Bauteile zum Einsatz kommen. Es wurden weiterhin metallreiche Verbundwerkstoffe mit bis zu 10 Vol.% keramischer Partikelverstärkung erstmalig über die Papiertechnologie hergestellt. Dadurch ergeben sich vielfältige Möglichkeiten metallreiche Leichtbaustrukturen mit verbesserten Energieabsorptionsvermögen zu erzeugen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stand die Entwicklung der keramikreichen Schlicker, die Formgebungstechnologien, die Entwicklung geeigneter Entbinderungs- und Sinterregime sowie die Charakterisierung der Verbundwerkstoffe hinsichtlich ihrer Mikrostruktur sowie der mechanischen bzw. der thermo-mechanischen Eigenschaften.

Beaucoup de procédés utilisés dans l'industrie sidérurgique (coulée de lingots,coulée continue, …) peuvent générer des défauts : macro-ségrégation, mauvaises propriétés de la microstructure, défauts surfaciques. Ces problèmes peuvent être résolus par un contrôle de la température et de l’écoulement d'acier liquide. Le brassage électromagnétique (EMS) est une technique largement utilisée pour contrôler l’écoulement d'acier liquide par l’imposition d'un champ électromagnétique. Cette technique est complexe car elle couple plusieurs types de problèmes physiques:écoulement multiphasique, solidification,transfert de chaleur et induction électromagnétique à basse fréquence.En outre, l’approche expérimentale est difficile de par la dimension,l'environnement et le coût des procédés considérés. Pour ces raisons, des simulations numériques efficaces sont nécessaires pour comprendre les applications EMS et améliorer les procédés évoqués. L'objectif de cette thèse est de développer une méthodologie numérique robuste,efficace et précise pour la simulation multi-physique de l'EMS, en particulier pour le brassage dans le moule dans le cadre de la coulée continue d'acier. Cette méthodologie a été mise en oeuvre dans le code commercial THERCAST® pour être utilisé dans le cadre d’applications industrielles / Many of the processes used in thesteelmaking industry (e.g. ingot casting,continuous casting, …) can lead todefects: macro-segregation, poormicrostructure properties, surfacedefects. These issues can be solved bycontrolling the temperature and the flowof molten steel. Electromagnetic stirring(EMS) is a widely used technique to steerthe flow of liquid steel by thesuperimposition of an electro-magneticfield. This application is complex becauseit couples several physical problems:multi-phase flow, solidification, heattransfer and low frequency electromagneticinduction. In addition,experimental work is difficult because ofthe size, environment and cost of theconsidered processes. For thesereasons, efficient and effective numericalsimulations are needed to understandEMS applications and improve theaforementioned processes.The objective of this thesis is to developa robust, efficient and accurate numericalprocedure for the multi-physicssimulation of EMS, especially for in-moldstirring in the framework of continuouscasting of steel. This procedure has beenimplemented in the commercial codeTHERCAST® in order to be used forindustrial applications.

The horizontal twin-roll casting (TRC) process is an energy saving and cost-efficient method for producing near-net-shape sheets of castable metals for light-weight production. In order to investigate the TRC process numerically, a code is generated in OpenFOAM and the commercial software STAR-CCM+ is used. Both are validated with the Stefan problem, the gallium melting test case, and a continuous casting experiment for magnesium AZ31. Different solidification models are tested that are similar to solution domain definitions and solid-fraction temperature relations. The comparison with temperature measurements of the MgF GmbH Freiberg pilot plant and the final microstructure exhibits good correlation. Sensitivity studies are carried out for thermophysical properties of AZ31 as well as pilot plant parameters. Furthermore, the rolls are incorporated into the simulation to determine the effect of a location-dependent heat-transfer coefficient. Finally, the results are compared to a second pilot plant situated at the Helmholtz-Centre Geesthacht in order to explore differences and similarities. / Das horizontales Gießwalzen ist eine energiesparende und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Flachprodukten, die im Leichtbau verwendet werden. Um dieses Verfahren numerisch zu untersuchen wurde ein Programmcode in OpenFOAM entwickelt und die kommerzielle Software STAR-CCM+ verwendet, wobei beide mit dem Stefan Problem, dem Schmelzen von Gallium und Messdaten des Stranggusses von Magnesium AZ31 validiert wurden. Verschiedene Erstarrungsmodelle werden ebenso getestet wie Variationen des Simulationsbereiches und Feststoff-Temperatur-Verläufe. Vergleiche mit Temperaturmessdaten der Pilotanlage MgF GmbH Freiberg und der finalen Mikrostruktur zeigen gute Übereinstimmungen. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um die Einflüsse von thermophysikalischen Eigenschaften und Anlagenparametern abzuschätzen. Des Weiteren werden die Walzen in die Simulation mit einbezogen, um den Effekt eines lokal veränderlichen Wärmeübergangskoeffizienten zu beurteilen. Schließlich werden die Ergebnisse mit denen einer zweiten Pilotanlage am Helmholtz-Zentrum Geesthacht verglichen. / Le laminage de coulée continue horizontal possède une faible consommation d’énergie et est bon marché pour la production des feuilles de métaux coulables utilisés dans la construction légère. Afin d’examiner ce processus numériquement, un code est généré dans OpenFOAM et le logiciel commercial STAR-CCM+ est utilisé, tous les deux sont validés en utilisant le problème de Stefan, la fusion du gallium et la coulée continue verticale de magnésium AZ31. Plusieurs modèles de solidification sont testés, ainsi que la variation du domaine de simulation, et des rélations entre la teneur en matière solide et la température. Des comparaisons avec des résultats de mesures de la température à l’installation pilote de MgF GmbH Freiberg ainsi que la microstructure donnent des bons résultats. Des analyses de sensibilité sont effectuées afin d’évaluer l’influence des propriétés thermophysiques et des paramètres de l’installation. De plus, les cylindres sont intégrés dans la simulation pour estimer l’impact du coefficient de transfert de chaleur dépendant du lieu. Finalement, les résultats sont comparés avec ceux du Helmholtz-Centre Geesthacht.